системы безопасности
+7 (495) 227-88-06
"Наши услуги/ Комплекс услуг/ Видеонаблюдение/ Стандарт сжатия видеоизображения H.264

Стандарт сжатия видеоизображения H.264

H.264 – это открытый лицензированный стандарт с поддержкой самых эффективных на сегодняшний день технологий сжатия видеоизображения. Кодер H.264 без ущерба для качества изображения может снижать размер файла цифрового видео более чем на 80% по сравнению с форматом Motion JPEG и на 50% - по сравнению со стандартом MPEG-4 Part 2. Что означает гораздо меньшие требования к полосе пропускания для передачи и объему памяти для хранения видеофайла. Или же, с другой стороны, возможность получения гораздо лучшего качества видеоизображения при той же скорости передачи данных.
Прошедший коллективное утверждение со стороны организаций по стандартизации в области телекоммуникационных и информационных технологий, H.264, как ожидается, получит более широкое распространение по сравнению с предшествующими стандартами.
H.264 уже появился в таких новых электронных устройствах, как мобильные телефоны и цифровые видеоплееры, и сразу завоевал признание со стороны конечных пользователей. Провайдеры различных услуг, такие как онлайн-хранилища видеоматериалов и телекоммуникационные компании также начали использование H.264.
Прошедший коллективное утверждение со стороны организаций по стандартизации в области телекоммуникационных и информационных технологий, H.264, как ожидается, получит более широкое распространение по сравнению с предшествующими стандартами.
H.264 уже появился в таких новых электронных устройствах, как мобильные телефоны и цифровые видеоплееры, и сразу завоевал признание со стороны конечных пользователей. Провайдеры различных услуг, такие как онлайн-хранилища видеоматериалов и телекоммуникационные компании также начали использование H.264.
В отрасли охранного видеонаблюдения H.264, по всей вероятности, быстрее всего найдет свое применение в таких областях, которые требуют использования высокой частоты кадров и высокого разрешения, например, для охранного наблюдения за автомагистралями, аэропортами и казино, где нормой является использование частоты 30/25 (NTSC/PAL) кадров в секунду. Наибольшая экономия будет достигнута за счет снижения требований к ширине полосы пропускания и объему свободного пространства для хранения данных.
Кроме того, ожидается, что H.264 ускорит переход на мегапиксельные камеры, поскольку высокоэффективная технология сжатия может снизить огромные размеры файлов и скорость их передачи без ущерба для качества изображения. Есть, впрочем, и сопутствующие требования. Хотя H.264 предлагает экономию расходов на ширину пропускного канала сети и объемы свободного пространства для хранения данных, этот стандарт требует наличия сетевых камер и станций наблюдения с более высокими техническими характеристиками.
Разработка стандарта H.264
H.264 является результатом совместного проекта группы экспертов по кодированию видео ITU-T и группы экспертов по вопросам кинотехники ISO/IEC (MPEG). ITU-T проводит координацию телекоммуникационных стандартов от имени Международного телекоммуникационного союза. ISO расшифровывается как Международная организация по стандартизации, а IEC – Международная электротехническая комиссия, которая осуществляет надзор за всеми электротехническими, электронными и сопутствующими им технологиями. Название H.264 используется со стороны ITU-T, в то время как ISO/IEC дали стандарту название MPEG-4 Part 10/AVC, поскольку он представляет собой новый элемент в их пакете MPEG-4. В пакет MPEG-4, к примеру, входит и MPEG-4 Part 2 – стандарт, применяемый в видеокодерах и сетевых камерах на базе IP-систем.
H.264, разработанный для исправления некоторых недостатков в предыдущих стандартах сжатия видеоизображений, достигает своих целей благодаря:
улучшениям, позволяющим снизить скорость передачи данных в среднем на 50%, и предлагающими такое качество неподвижного видеоизображения, которое сравнимо с любым другим видеостандартом
устойчивости к ошибкам, которая позволяет воспроизводить изображение несмотря на ошибки при передаче данных по различным сетям
низкому уровню задержки и получению лучшего качества при более высоком уровне задержки
простой структуре синтаксиса, которая упрощает внедрение стандарта
декодированию на основе точного совпадения, при котором определяется точное количество числовых расчетов, производимых кодером и декодером, что позволяет избежать появления накапливающихся ошибок
H.264 также обладает гибкостью, которая позволяет применять его для решения различных задач с самыми разными требованиями к скорости передачи данных. К примеру, в области развлекательного видео (телетрансляции, DVD, спутниковое и кабельное телевидение) H.264 способен обеспечить скорость от 1 до 10 мегабит в секунду с высоким уровнем задержки, в то время как для телекоммуникационных услуг H.264 может предложить скорость передачи данных менее 1 мегабита в секунду с низким уровнем задержки.
Как происходит сжатие видеоизображения
Сжатие видеоизображения – это сокращение и удаление избыточных видеоданных с целью оптимизации хранения и передачи файлов цифрового видео.
В ходе этого процесса исходный видеосигнал обрабатывается с помощью алгоритма для создания сжатого файла, готового к передаче и хранению. Для воспроизведения сжатого файла применяется инверсный алгоритм, который фактически дает то же самое видеоизображение, что и оригинальный источник видеосигнала. Время, требуемое для сжатия, отправки, распаковки и отображения файла, называется задержкой. При одинаковой вычислительной мощности – чем более сложен алгоритм сжатия, тем выше задержка.
Совместная работа пары алгоритмов называется видеокодеком (кодер/декодер). Видеокодеки, применяющие разные стандарты, как правило, несовместимы друг с другом, поэтому видеоданные, сжатые с использованием одного стандарта, нельзя распаковать с применением другого стандарта. К примеру, декодер MPEG-4 Part 2 не будет работать с кодером H.264. Причиной тому является тот факт, что один алгоритм не может корректно декодировать результат, полученный с помощью работы другого алгоритма, однако есть возможность оснастить множеством разных алгоритмов программное или аппаратное обеспечение, чтобы оно могло производить сжатие разных форматов.
В различных стандартах сжатия видеоизображения применяются различные методы сокращения размера данных, и, таким образом, результаты отличаются по скорости передачи данных, качеству и уровню задержки.
Результаты сжатия могут различаться и у кодеров, использующих один и тот же стандарт, поскольку разработчик кодера волен выбирать, какие именно наборы средств, определенных стандартом, в нем задействовать. До тех пор пока результат на выходе кодера соответствует формату и декодеру стандарта, возможны различные методы его реализации. Это выгодно, поскольку различные методы реализации имеют разные цели и разный бюджет. Профессиональные программные кодеры для работы с оптическими носителями не в режиме реального времени должны иметь возможность обеспечивать лучшее кодированное видеоизображение по сравнению с аппаратными кодерами для проведения видеоконференций в режиме реального времени, встроенными в портативные устройства. Таким образом, определенный стандарт не может гарантировать определенную скорость передачи данных или ее качество. Более того, функционирование одного стандарта нельзя корректно сравнивать с другими стандартами или даже с различными методами реализации этого же стандарта без предварительного определения конкретного метода реализации.
Декодер же, в отличие от кодера, должен реализовывать в себе все необходимые элементы стандарта с тем, чтобы декодировать соответствующий поток битов. Поэтому стандарт четко указывает, как именно алгоритм распаковки должен восстанавливать каждый бит сжатого видеоизображения.
Приведенный ниже график сравнивает скорость передачи данных при одинаковом уровне качества изображения следующих видеостандартов: Motion JPEG, MPEG-4 Part 2 (без компенсации движения), MPEG-4 Part 2 (с компенсацией движения) и H.264 (базовый профиль).

Рис. 1. Для выбранной последовательности видеокадров кодер H.264 генерирует до 50% меньше бит в секунду по сравнению с кодером MPEG-4 с компенсацией движения. Кодер H.264, по меньшей мере, в три раза эффективнее, чем кодер MPEG-4 без компенсации движения, и по меньшей мере в шесть раз эффективнее, чем Motion JPEG.
Профили и уровни H.264
Объединенная группа, участвующая в определении стандарта H.264, сосредоточила свое основное внимание на создании простого и ясного решения, сводящего к минимуму количество опций и параметров. Важнейшим аспектом данного стандарта, как и в случае с другими видеостандартами, является предоставление различных возможностей в рамках профилей (наборов алгоритмических параметров) и уровней (классов функционирования) для оптимальной поддержки популярных продуктов и распространенных форматов.
В H.264 заложено семь профилей, каждый из которых рассчитан на конкретную область применения. Каждый профиль определяет, какой именно набор параметров может использовать кодер, и ограничивает сложность реализации декодера.
Сетевые камеры и видеокодеры, скорее всего, будут использовать так называемый базовый профиль, рассчитанный преимущественно на применение в областях с ограниченными вычислительными мощностями. Базовый профиль наиболее подходит для применения в современных кодерах режима реального времени, встроенных в сетевое видеооборудование. Этот профиль также обеспечивает низкий уровень задержки, что является важным требованием для охранного видеонаблюдения, и также имеет особую важность для управления в режиме реального времени функциями панорамирования, наклона и масштабирования сетевых PTZ-камер.
H.264 имеет 11 уровней или степеней ограничения требований к функциональности, пропускному каналу и памяти. Каждый уровень определяет скорость передачи данных и скорость кодирования в макроблоках в секунду для разрешений в диапазоне от QCIF до HDTV и выше. Чем выше разрешение, тем выше требуемый уровень.
Использование кадров
В зависимости от профиля H.264, кодером могу использоваться различные типы кадров, а именно I-кадры, P-кадры и B-кадры.
I-кадр (или вводный кадр) – это изолированный кадр, который может декодироваться независимым образом без привязки к любым другим изображениям. Первое изображение в видеопоследовательности всегда является I-кадром. I-кадры необходимы в качестве начальных точек для новых просмотров или точек повторной синхронизации в случае нарушения переданного потока битов. I-кадры можно использовать для реализации функций перемотки вперед, назад и иных функций произвольного доступа. Кодер автоматически вставляет I-кадры через равные промежутки времени или по требованию в случае, когда ожидается присоединение новых клиентов к просмотру потока. Недостатком I-кадров является чрезмерное количество составляющих их бит, но, с другой стороны, они и не создают большого количества искажений.
P-кадр, который расшифровывается как промежуточный кадр предсказуемого характера, содержит ссылки для своего кодирования на части предшествующих I-кадров и/или P-кадров. P-кадры, как правило, требуют меньшее количество бит, чем I-кадры, но имеют недостаток в том плане, что они очень уязвимы по отношению к ошибкам передачи из-за своей сложной зависимости от предшествующих ссылочных P- и I-кадров.
B-кадр (или промежуточный кадр двунаправленного предсказания) – это кадр, содержащий в себе ссылки и на предыдущий, и на последующий ссылочные кадры.

Рис. 2. Типовая последовательность I-, B- и P-кадров. P-кадр может ссылаться только на предшествующий I- или P-кадр, в то время как B-кадр может ссылаться как на предшествующий, и на последующий I- или P-кадры.
Когда видеодекодер восстанавливает видеоизображение посредством покадрового декодирования потока бит, процесс декодирования всегда должен начинаться с I-кадра. При использовании P-кадров и B-кадров они должны декодироваться вместе с ссылочными кадрами.
В базовом профиле H.264 используются только I- и P-кадры. Этот профиль идеально подходит для сетевых камер и видеокодеров из-за своего низкого уровня задержки, достигаемого за счет отсутствия B-кадров.
Основные методы сокращения данных
Для сокращения количества видеоданных, как в рамках кадра с изображением, так и в рамках последовательности видеокадров, можно использовать самые разнообразные методы.
В рамках кадра изображения сокращение данных можно произвести простым удалением избыточной информации, что окажет свое влияние на разрешение изображения.
В рамках последовательности кадров сокращение видеоданных можно произвести с помощью таких методов, как кодирование по отличиям, которое используется в большинстве стандартов сжатия видеоизображения, в том числе и H.264. При кодировании по отличиям кадр сравнивается с ссылочным кадром (т.е. предыдущим I- или P-кадром) и кодируются только изменившиеся по отношению к ссылочному кадру пиксели. Таким образом сокращается количество пиксельных значений для кодирования и отправки.

Рис. 3. В формате Motion JPEG три изображения в показанной выше последовательности кодируются и отправляются как отдельные уникальные изображения (I-кадры) без какой-либо зависимости друг от друга.

Рис. 4. При кодировании по отличиям (применяемом в большинстве стандартов сжатия видеоизображения, в том числе и в H.264) полностью кодируется только первое изображение (I-кадр). В двух последующих изображениях (P-кадрах) ставятся ссылки на первое изображение в отношении статичных элементов (в данном случае в отношении дома) и кодируются только движущиеся элементы (в данном случае бегущий человек) с использованием вектора движения, что, таким образом, снижает объем информации для отправки и хранения.
Объем кодирования можно дополнительно снизить, если обнаружение и кодирование по отличиям базируется на блоках пикселей (макроблоках), а не на отдельных пикселях - следовательно, сравниваются более крупные участки и кодируются только блоки со значительными отличиями. Снижаются также и затраты, сопутствующие указанию меняющегося места действия.
Впрочем, кодирование по отличиям существенно не снизит объем данных, если видеоряд содержит много движущихся объектов. И здесь можно использовать такие технологии, как поблочная компенсация движения. Поблочная компенсация движения учитывает то, что многое из того, что создает новый кадр в видеопоследовательности, можно найти на предыдущих кадрах, но, возможно, в другом месте действия. Данная техника разделяет кадр на ряды макроблоков. Новый кадр (например, P-кадр) можно составить или "предсказать" поблочно посредством поиска совпадающего блока в ссылочном кадре. При обнаружении совпадения кодер просто кодирует положение найденного совпадающего блока в ссылочном кадре. Кодирование так называемого вектора движения требует меньше бит, чем кодирование фактического содержания всего блока.

Эффективность H.264
H.264 выводит технологию сжатия видеоизображения на новый уровень.
Стандарт H.264 вводит новую передовую схему внутреннего предсказания при кодировании I-кадров. Данная схема может значительно сократить размер (в битах) I-кадра при сохранении высокого качества при помощи успешного предсказания маленьких блоков пикселей в рамках макроблока внутри кадра. Это происходит посредством попытки найти совпадающие пиксели среди ранее закодированных пикселей, которые ограничивают новый пиксельный блок 4x4 для внутреннего кодирования. Путем повторного использования уже закодированных пиксельных значений можно значительно сократить размер данных в битах. Новое внутреннее предсказание – это ключевой элемент технологии H.264, уже доказавший свою высокую эффективность. Для сравнения: даже если в потоке H.264 использовать только I-кадры, размер получившегося файла будет гораздо меньшим, чем для потока Motion JPEG, в котором используются только I-кадры.

Рис. 6. Иллюстрации того, как можно использовать некоторые режимы внутреннего предсказания при кодировании пикселей 4x4 в рамках одного из 16 блоков, образующих макроблок. Каждый из 16 блоков внутри макроблока может кодироваться с помощью разных режимов.

Рис. 7. Помещенные выше изображения иллюстрируют эффективность схемы внутреннего предсказания H.264, при которой внутренне предсказанное изображение отправляется "бесплатно". Для создания изображения на выходе необходимо закодировать только содержимое остаточного изображения и режимы внутреннего предсказания.
В H.264 также улучшена поблочная компенсация движения, применяемая при кодировании P- и B-кадров. Кодер H.264 может выбирать для поиска совпадающих блоков (вплоть до субпиксельной точности) некоторых или многих участков внутри одного или внутри нескольких ссылочных кадров. Для улучшения поиска совпадений можно также настраивать размер и форму блоков. На участках, где внутри ссылочного кадра нельзя найти никаких совпадающих блоков, используются внутренне закодированные макроблоки. Высокая степень гибкости поблочной компенсации движения в H.264 эффективна в местах видеонаблюдения за большим количеством людей, где следует сохранять требуемое для этой области применения качество изображения. Компенсация движения является наиболее востребованным аспектом видеокодера, а различные способы и уровни, при которых возможна ее реализация посредством кодера H.264, помогают повысить эффективность сжатия видеоизображения.
Со стандартом H.264 типичные блочные объекты, заметные на видеоизображениях с высокой степенью сжатия по стандартам Motion JPEG и MPEG (в отличие от H.264), можно уменьшить благодаря встроенному деблокирующему фильтру. Этот фильтр автоматически сглаживает края блоков, создавая почти идеальное развернутое видеоизображение.

Рис. 8. Блочные объекты на изображении с высокой степенью сжатия слева уменьшились при применении деблокирующего фильтра, как это видно на изображении справа.

Заключение
H.264 представляет собой огромный шаг вперед в технологии сжатия видеоизображения. Этот стандарт предлагает различные технологии, позволяющие добиться лучшей эффективности сжатия благодаря применению более точных схем внутреннего предсказания, а также большей устойчивости к ошибкам. Он открывает новые возможности для создания передовых видеокодеров, способных значительно повысить качества изображения, увеличить частоту кадров и разрешение при сохранении той же скорости передачи данных (по сравнению с предшествующими стандартами) или же, напротив, обеспечить видеоизображение того же качества при меньшей скорости передачи данных.
H.264 представляет собой первый образец совместной работы Международного телекоммуникационного союза, Международной организации по стандартизации и Международной электротехнической комиссии по типовым международным стандартам сжатия видеоизображения. Из-за своей гибкости H.264 нашел применение в таких разнообразных областях, как DVD высокой четкости (например, Blu-ray), видеотрансляция, в том числе трансляция телевидения высокой четкости, онлайн-хранилища видеоматериалов (например, YouTube), мобильная телефонная связь третьего поколения, в таких программах, как QuickTime, Flash и в операционной системе MacOS X на компьютерах Apple, а также в игровых видеоприставках, например, PlayStation 3. Благодаря поддержке во многих отраслях промышленности и разработки программных приложений, рассчитанных на удовлетворение потребительских и профессиональных потребностей, H.264, как ожидается, заменит другие, используемые на сегодняшний день, стандарты и методы сжатия.
С более широким распространением формата H.264 в сетевых камерах, видеокодерах и программном обеспечении для управления видеонаблюдением, разработчикам и интеграторам систем требуется уверенность в том, что выбранные ими продукты и поставщики поддерживают этот новый открытый стандарт. На данный момент сетевое видеооборудование, поддерживающее как H.264, так и Motion JPEG – это идеальный выбор, обеспечивающий наивысшую степень универсальности и интеграции.

В начало страницы